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Geophysik SS10 1. Versuchsprotokoll zum ersten Praktikumsversuch: Hammerschlagseismik Ibrahim Irmak, Jakob Krupke, Natalja Becker Versuchsprotokoll zum ersten Praktikumsversuch: Hammerschlagseismik Motivation: Um strukturelle Aussagen über die Beschaffenheit des Untergrundes aber auch bestimmte geologische Barrieren und deren Mächtigkeiten, Homogenitäten, respektive Heterogenitäten machen zu können, als auch die Erkundung von Störungszonen und die Erschließung von neuen Lagerstätten und Rohstoffvorkommen sind Beweggründe dafür, seismische Explorationen durchzuführen. Die daraus gewonnenen seismischen Geschwindigkeiten liefern Informationen darüber, wie der Untergrund ( physikalisch ) beschaffen ist. 1. Physikalische Grundlagen Beim ebenen, zwei Schichtenfall wird mit verschiedenen Wellentypen gearbeitet, die hier kurz erläutert werden. Eine dieser Wellentypen ist die direkte Welle. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass sie direkt an der Erdoberfläche nach dem ein Schuss losgelassen oder mit einem Hammer auf eine Stahlplatte geschlagen wurde, von der Quelle zum Empfänger läuft. Diese breitet sich auf dem kürzesten Weg von der Quelle zum Empfänger aus. Im Laufzeitdiagramm ist der Verlauf dieser Welle als eine lineare Funktion abgebildet. Die einfallende Welle (z.B. P-Welle) wird dagegen an einer Grenzfläche, an der sich der Wellenwiderstand (auch Wellenimpedanz genannt, ändert, mit dem einfallenden Winkel der P-Welle reflektiert.
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• Click on download to get complete and readable text • This is a free of charge document sharing network • First upload your own document, and you get a word document per email • No registration necessary, gratis Swap homeworks and notes at no charge! Gratis scripts for students and pupils! Die P-Wellengeschwindigkeiten der direkten und refraktierten Welle werden aus einem Seismogramm durch die Bildung eines Steigungsdreiecks (für die direkte Welle) und mit (für die Kopfwelle) ermittelt. Die Laufzeitformel für die direkte Welle ist durch die Gleichung gegeben. Grenzwertbetrachtungen führen dazu (für sehr große Entfernungen x gegenüber der Tiefe h), dass der Term sich zu vereinfacht. Die Laufzeitformel für die Kopfwelle ist durch gegeben. Für die reflektierte Welle ist die Laufzeit ähnlich der Kopfwelle, nur das hier keine Winkelabhängigkeit zu beachten ist (). Refraktierte Wellen treten erst bei einer kritischen Entfernung auf und werden im Seismogramm mittels der Geophone nach der Überholdistanz sichtbar. Die kritische Entfernung wird durch den kritischen Winkel bestimmt, der beim senkrechten Einfall der Welle 90° ist und die refraktierte Welle sich entlang der Grenzfläche ausbreitet. Die Überholentfernung gibt an, ab welcher Entfernung die schnelleren refraktierten Wellen die langsameren direkten Wellen „überholen“. 2. Versuchsbeschreibung und -durchführung
Die angeschlossenen Geophone bestanden wiederum aus jeweils drei einzelnen Geophonen, welche parallel geschalten zu je einem Anschluss am Messkabel angeschlossen waren (Ausfallsicherheit). Bei den Geophonen handelte es sich um einfache 1-Komponenten-Emfänger zur Aufzeichnung vertikaler Bodenbewegungen. Als künstliche Quelle wurde ein 10kg Vorschlagshammer genutzt.
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• Click on download to get complete and readable text • This is a free of charge document sharing network • First upload your own document, and you get a word document per email • No registration necessary, gratis Swap homeworks and notes at no charge! Gratis scripts for students and pupils! Das dadurch in den Boden induzierte elastische Wellenfeld wurde von den Geophonen registriert und an die Aufzeichungseinheit gesendet. Die Schläge auf die Platte wurden 10mal wiederholt und die registrierten Daten „gestapelt“ um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Beim Messvorgang selbst war zu beachten, dass das Noiselevel möglichst gering ist. Für jedes Profil wurde jeweils ein Schuss und ein Gegenschuss durchgeführt. Für das W-O Profil wurde genauso verfahren, jedoch mit den Schusspunkten jeweils 2m westlich bzw. östlich der Randgeophone. Die aufgenommen, gestapelten Daten wurden separat gespeichert und in späteren Processingschritten einer Gain-Korrektur und einer Frequenzfilterung unterzogen. Das geschah um das Nutzsignal zu Optimieren. Die nun vom angeschlossenen Computer ausgegebenen und von uns ausgewerteten Seismogramme sind im Anhang beigefügt. In grün wurde jeweils die direkte Welle markiert; die roten Linien stellen die refraktierten Wellen dar und in blau wurden die reflektierten Wellen gezeichnet. Besonders gut zu erkennen waren die für uns wichtigen refraktierten Wellen. Auch die direkten Wellen waren noch einigermaßen gut sichtbar. Bei den reflektierten Wellen musste man teilweise Vermutungen anstellen. Da aber diese letztgenannten für unsere Berechnungen später keine Rolle spielen, sollte diese Tatsache nicht weiter stören.
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• Click on download to get complete and readable text • This is a free of charge document sharing network • First upload your own document, and you get a word document per email • No registration necessary, gratis Swap homeworks and notes at no charge! Gratis scripts for students and pupils! An dieser Tatsache lässt sich erkennen, dass es sich eindeutig um dasselbe Profil handelt, eben nur von der anderen Seite aus betrachtet. 3. Auswertung der Seismogramme
Wie oben schon angedeutet, lässt sich nun mit Hilfe der direkten Welle die P-Wellen Geschwindigkeit in der obersten Schicht ermitteln indem man ein Steigungsdreieck an die ermittelte Gerade anlegt und somit den Wert berechnet, wie das im Folgenden durchgeführt wurde: E-W-Profil (Schuss von Westen): E-W-Profil (Schuss von Osten): ð Mittelwert für das E-W-Profil: N-S-Profil (Schuss von Norden): N-S-Profil (Schuss von Süden): ð Mittelwert für das N-S-Profil: Insgesamt ergibt sich also ein Mittelwert für die Wellengeschwindigkeit in der obersten Schicht von 377,5 m/s. b) Wellengeschwindigkeit in der zweiten
Schicht: Dabei kommt man auf folgendes Ergebnis: E-W-Profil (Schuss von Westen): E-W-Profil (Schuss von Osten): ð Mittelwert für das E-W-Profil: N-S-Profil (Schuss von Norden): N-S-Profil (Schuss von Süden): ð Mittelwert für das N-S-Profil:
Es ergibt sich in der zweiten Schicht also eine mittlere P-Wellen-Geschwindigkeit von etwa 1977,5 m/s.
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Die Kopfwelle hat an der Grenzfläche der beiden Schichten den Winkel. Zudem sind die beiden Geschwindigkeiten aus obiger Rechnung bekannt:
ð 11,0°
Da wir aber die reflektierte Welle nur sehr ungenau erkennen konnten, werden wir im Folgenden zunächst die refraktierte Welle zur Ermittlung der Tiefe heranziehen:
Dabei wurde ein Mittelwert angenommen. Durch Einsetzen erhalten wir also:
Wenn man die reflektierte Welle hat, dann kann man die Schichtmächtigkeit sehr einfach berechnen, indem man die Laufzeit der Welle am ersten Geophon mit der Geschwindigkeit multipliziert um den zurückgelegten Weg zu erfahren, dieser wird dann noch durch zwei dividiert, da die Welle ja den doppelten Weg zurücklegt und man hat die Tiefe der Schichtgrenze. Das Problem hier war allerdings, dass sich die reflektierte Welle nur sehr schwer aus den Seismogrammen herauslesen ließ. Angenommen man würde nun mit der von uns bestimmten Kurve für das Profil E-W (Schuss von E) rechnen, bekämen wir: | ||||||||||||
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